Kompakt QKD-system baner vejen for omkostningseffektive satellitbaserede kvantenetværk

Forskere rapporterer en eksperimentel demonstration af et rum-til-jord kvantenøglefordelingsnetværk (QKD) ved hjælp af en kompakt QKD-terminal ombord på det kinesiske rumlaboratorium Tiangong-2 og fire jordstationer. Det nye QKD-system vejer mindre end halvdelen af ​​det system, som forskerne udviklede til Micius-satellitten, som blev brugt til at udføre verdens første kvantekrypterede virtuelle telekonference.

Demonstrationen repræsenterer et vigtigt skridt mod praktisk QKD baseret på konstellationer af små satellitter, et setup, der betragtes som en af ​​de mest lovende ruter til at skabe et globalt kvantekommunikationsnetværk.

"QKD tilbyder ubetinget sikkerhed ved at bruge enkelte fotoner til at kode information mellem to fjerne terminaler," sagde forskerteammedlem Cheng-Zhi Peng fra University of Science and Technology of China. "Det kompakte system, vi udviklede, kan reducere omkostningerne ved at implementere QKD ved at gøre det muligt at bruge små satellitter."

Peng og forskere fra andre institutioner i Kina beskriver deres nye system og eksperimentelle resultater i Optica . De fandt også ud af, at QKD-ydeevnen kan øges ved at bygge et netværk af satellitter, der kredser i forskellige vinkler eller hældninger i forhold til ækvator.

"Vores nye arbejde demonstrerer gennemførligheden af ​​et rumjordet QKD-netværk baseret på en kompakt satellitnyttelast kombineret med konstellationer af satellitter med forskellige kredsløbstyper," sagde Peng. "I den nærmeste fremtid kan denne type QKD-system bruges i applikationer, der kræver høj sikkerhed, såsom regeringsanliggender, diplomati og finans."

Formindskelse af QKD-systemet

QKD bruger lysets kvanteegenskaber til at generere sikre tilfældige nøgler til kryptering og dekryptering af data. I tidligere arbejde demonstrerede forskergruppen satellit-til-jord QKD og satellit-relæerede interkontinentale kvantenetværk ved hjælp af Micius-satellitten. QKD-systemet, der blev brugt ombord på denne satellit, var imidlertid omfangsrigt og dyrt. På størrelse med et stort køleskab vejede systemet omkring 130 kg og krævede 130 W effekt.

Som en del af Kinas kvantekonstellationsplan forsøgte forskerne at udvikle og demonstrere et mere praktisk rumbaseret QKD-netværk. For at gøre dette udviklede de en kompakt nyttelast, der gjorde det muligt for Tiangong-2 Space Lab at fungere som en satellit QKD-terminal. QKD-nyttelasten – bestående af et sporingssystem, QKD-sender og en laserkommunikationssender – vejede omkring 60 kg, krævede 80 W effekt og målte omtrent på størrelse med to mikrobølgeovne.

"Denne nyttelast var så integreret som muligt for at reducere volumen, vægt og omkostninger og samtidig opnå den høje ydeevne, der er nødvendig for at understøtte rum-til-jord QKD-eksperimenter," sagde Peng. "Det skulle også være meget holdbart til at modstå barske forhold, såsom de voldsomme vibrationer, der opleves under opsendelsen og det ekstreme termiske vakuummiljø i rummet."

Forskerne udførte i alt 19 QKD-eksperimenter, hvor sikre nøgler blev fordelt med succes mellem Space Lab-terminalen og fire jordstationer på 15 forskellige dage mellem oktober 2018 og februar 2019. Disse eksperimenter blev udført om natten for at undgå påvirkning af dagslysbaggrundsstøj .

Forskerne fandt ud af, at rumlaboratoriets medium (~42°) hældning tillod flere passager over en enkelt jordstation på en nat, hvilket øgede antallet af nøgler, der kunne genereres. De byggede også en model til at sammenligne ydeevnen af ​​satellitbaserede QKD-netværk med forskellige kredsløbstyper. De fandt ud af, at kombination af satellitter med en kredsløb med medium hældning som rumlaboratoriet med en solsynkron bane, der bevæger sig over polarområderne, opnåede den bedste ydeevne.

Næste trin

Forskerne arbejder nu på at forbedre deres QKD-system ved at øge hastigheden og ydeevnen af ​​QKD-systemet, reducere omkostningerne og undersøge muligheden for satellit-til-jord QKD-transmission i dagtimerne. "Disse forbedringer ville gøre det muligt at skabe en praktisk kvantekonstellation ved at opsende flere satellitter med lav kredsløb," sagde Peng. "Konstellationen kunne kombineres med en mellem-til-høj kredsløbs kvantesatellit og fiberbaserede QKD-netværk på jorden for at skabe et rumjord-integreret kvantenetværk."

Selvom det ikke var en del af dette arbejde, blev en endnu mindre kvantesatellit udviklet af Hefei National Laboratory og University of Science and Technology i Kina og andre forskningsinstitutter i Kina med succes opsendt i rummet den 27. juli. Denne satellit, kendt som en mikro/nano-satellit , vejer omkring en sjettedel af vægten af ​​Micius-satellitten og indeholder et QKD-system, der er omkring en tredjedel af størrelsen af ​​det, der blev demonstreret i Optica papir. Denne satellit er designet til at udføre real-time satellit-til-jord QKD-eksperimenter, hvilket repræsenterer endnu et vigtigt skridt mod billige og praktiske kvantesatellitkonstellationer. + Udforsk yderligere

Verdens første integrerede kvantekommunikationsnetværk